Rezultati analize kažejo, da samo zanašanje na izboljšanje energetske učinkovitosti v kombinaciji s CCUS in NET verjetno ne bo stroškovno učinkovita pot za globoko dekarbonizacijo kitajskih sektorjev HTA, zlasti težke industrije.Natančneje, široka uporaba čistega vodika v sektorjih HTA lahko pomaga Kitajski doseči ogljično nevtralnost stroškovno učinkovito v primerjavi s scenarijem brez čiste proizvodnje in uporabe vodika.Rezultati zagotavljajo trdne smernice za kitajsko pot dekarbonizacije HTA in dragoceno referenco za druge države, ki se soočajo s podobnimi izzivi.
Razogljičenje industrijskih sektorjev HTA s čistim vodikom
Izvajamo integrirano najcenejšo optimizacijo poti ublažitve do ogljične nevtralnosti za Kitajsko leta 2060. V tabeli 1 so opredeljeni štirje scenariji modeliranja: običajno poslovanje (BAU), nacionalno določeni prispevki Kitajske v okviru Pariškega sporazuma (NDC), neto ničelne emisije z aplikacijami brez vodika (ZERO-NH) in ničelne neto emisije s čistim vodikom (ZERO-H).Sektorji HTA v tej študiji vključujejo industrijsko proizvodnjo cementa, železa in jekla ter ključnih kemikalij (vključno z amoniakom, sodo in kavstično sodo) ter težki transport, vključno s tovornim in domačim ladijskim prometom.Vse podrobnosti so na voljo v razdelku o metodah in v dodatnih opombah 1–5.Kar zadeva sektor železa in jekla, prevladujoči delež obstoječe proizvodnje na Kitajskem (89,6 %) poteka po osnovnem postopku s kisikovim plavžem, kar je ključni izziv za globoko dekarbonizacijo tega sektorja.
industrija.Proces z elektroobločno pečjo je leta 2019 obsegal le 10,4 % celotne proizvodnje na Kitajskem, kar je 17,5 % manj od svetovnega povprečnega deleža in 59,3 % manj od deleža v ZDA18.V modelu smo analizirali 60 ključnih tehnologij za zmanjšanje emisij iz jeklarstva in jih razvrstili v šest kategorij (slika 2a): izboljšanje učinkovitosti materiala, zmogljivost napredne tehnologije, elektrifikacija, CCUS, zeleni vodik in modri vodik (dodatna tabela 1).Primerjava sistemskih optimizacij stroškov ZERO-H s scenariji NDC in ZERO-NH kaže, da bi vključitev možnosti čistega vodika prinesla opazno zmanjšanje ogljika zaradi uvedbe postopkov z vodikovo neposredno redukcijo železa (vodik-DRI).Upoštevajte, da vodik lahko služi ne samo kot vir energije pri izdelavi jekla, ampak tudi kot reducent za zmanjševanje ogljika na dopolnilni osnovi v procesu plavža-osnovne kisikove peči (BF-BOF) in 100 % v vodikovo-DRI poti.Pod ZERO-H bi se delež BF-BOF leta 2060 zmanjšal na 34 %, s 45 % elektroobločne peči in 21 % vodikovega DRI, čisti vodik pa bi zagotovil 29 % skupnega povpraševanja po končni energiji v sektorju.S pričakovano ceno omrežja za sončno in vetrno energijopadec na US$38–40MWh−1 leta 205019, stroški zelenega vodika
se bo prav tako zmanjšal in pot 100-odstotnega vodika-DRI bo morda igrala pomembnejšo vlogo, kot je bilo prej priznano.Kar zadeva proizvodnjo cementa, model vključuje 47 ključnih tehnologij za ublažitev v proizvodnih procesih, razvrščenih v šest kategorij (dodatni tabeli 2 in 3): energetska učinkovitost, alternativna goriva, zmanjšanje razmerja med klinkerjem in cementom, CCUS, zeleni vodik in modri vodik ( Slika 2b).Rezultati kažejo, da lahko izboljšane tehnologije energetske učinkovitosti zmanjšajo le 8–10 % skupnih emisij CO2 v cementnem sektorju, soproizvodnja odpadne toplote in tehnologije kisikovega goriva pa bodo imele omejen učinek ublažitve (4–8 %).Tehnologije za zmanjšanje razmerja med klinkerjem in cementom lahko prinesejo razmeroma visoko zmanjšanje emisij ogljika (50–70 %), predvsem vključno z dekarboniziranimi surovinami za proizvodnjo klinkerja z uporabo granulirane žlindre iz plavža, čeprav se kritiki sprašujejo, ali bo nastali cement ohranil svoje bistvene lastnosti.Toda trenutni rezultati kažejo, da bi uporaba vodika skupaj s CCUS lahko cementnemu sektorju leta 2060 pomagala doseči skoraj nične emisije CO2.
V scenariju ZERO-H se v proizvodnji cementa uporablja 20 tehnologij, ki temeljijo na vodiku (od 47 tehnologij za ublažitev).Ugotavljamo, da so povprečni stroški zmanjševanja emisij ogljika pri vodikovih tehnologijah nižji od običajnih pristopov CCUS in zamenjave goriva (slika 2b).Poleg tega se pričakuje, da bo zeleni vodik po letu 2030 cenejši od modrega vodika, kot je podrobno razloženo spodaj, pri približno 0,7–1,6 ameriških dolarjev kg−1 H2 (ref. 20), kar bo povzročilo znatno zmanjšanje CO2 pri zagotavljanju industrijske toplote pri izdelavi cementa. .Trenutni rezultati kažejo, da lahko zmanjša 89–95 % CO2 iz procesa ogrevanja v kitajski industriji (slika 2b, tehnologije
28–47), kar je skladno z oceno Sveta za vodik 84–92 % (ref. 21).Emisije CO2 iz procesa klinkerja mora CCUS zmanjšati tako v ZERO-H kot ZERO-NH.Prav tako simuliramo uporabo vodika kot surovine pri proizvodnji amoniaka, metana, metanola in drugih kemikalij, navedenih v opisu modela.V scenariju ZERO-H bo proizvodnja amoniaka na osnovi plina z vodikovo toploto leta 2060 pridobila 20-odstotni delež celotne proizvodnje (slika 3 in dodatna tabela 4).Model vključuje štiri vrste tehnologij proizvodnje metanola: premog v metanol (CTM), koksni plin v metanol (CGTM), zemeljski plin v metanol (NTM) in CGTM/NTM z vodikovo toploto.V scenariju ZERO-H lahko CGTM/NTM z vodikovo toploto leta 2060 doseže 21-odstotni proizvodni delež (slika 3).Kemikalije so tudi potencialni nosilci energije vodika.Na podlagi naše integrirane analize lahko vodik do leta 2060 predstavlja 17 % končne porabe energije za oskrbo s toploto v kemični industriji. Poleg bioenergije (18 %) in električne energije (32 %) ima vodik pomembno vlogo pri 
dekarbonizacija kitajske kemične industrije HTA (slika 4a).
Slika 2 |Potencial za zmanjšanje emisij ogljika in stroški zmanjševanja ključnih tehnologij za zmanjšanje emisij.a, šest kategorij 60 ključnih tehnologij za zmanjšanje emisij pri proizvodnji jekla.b, šest kategorij 47 ključnih tehnologij za zmanjšanje emisij cementa.Tehnologije so navedene po številkah, z ustreznimi definicijami, vključenimi v dodatno tabelo 1 za a in dodatno tabelo 2 za b.Stopnje tehnološke pripravljenosti (TRL) vsake tehnologije so označene: TRL3, koncept;TRL4, majhen prototip;TRL5, veliki prototip;TRL6, polni prototip v velikem obsegu;TRL7, predkomercialna predstavitev;TRL8, predstavitev;TRL10, zgodnje sprejemanje;TRL11, zrela.
Razogljičenje načinov prevoza HTA s čistim vodikom Na podlagi rezultatov modeliranja ima vodik tudi velik potencial za razogljičenje kitajskega prometnega sektorja, čeprav bo za to potreben čas.Poleg LDV drugi transportni načini, analizirani v modelu, vključujejo flotne avtobuse, tovornjake (lahke/majhne/srednje/težke), domači ladijski promet in železnice, ki pokrivajo večino transporta na Kitajskem.Za LDV je videti, da bodo električna vozila v prihodnosti ostala stroškovno konkurenčna.V ZERO-H bo prodor vodikovih gorivnih celic (HFC) na trg LDV leta 2060 dosegel le 5 % (slika 3).Vendar pa bodo leta 2045 za flotne avtobuse HFC avtobusi stroškovno konkurenčnejši od električnih alternativ in bodo leta 2060 po scenariju ZERO-H predstavljali 61 % celotne flote, ostali pa bodo električni (slika 3).Pri tovornjakih se rezultati razlikujejo glede na stopnjo obremenitve.Električni pogon bo do leta 2035 v ZERO-NH vozil več kot polovico celotne flote lahkih tovornjakov.Toda v ZERO-H bodo lahki tovornjaki HFC do leta 2035 bolj konkurenčni kot električni lahki tovornjaki in bodo do leta 2060 obsegali 53 % trga. Kar zadeva težka tovorna vozila, bi težki tovornjaki HFC dosegli 66 % trga trgu leta 2060 po scenariju ZERO-H.Dizel/biodizel/CNG (stisnjen zemeljski plin) HDV (težka vozila) bodo zapustili trg po letu 2050 v obeh scenarijih ZERO-NH in ZERO-H (slika 3).HFC vozila imajo dodatno prednost pred električnimi vozili v boljši učinkovitosti v hladnih razmerah, kar je pomembno na severnem in zahodnem Kitajskem.Poleg cestnega prometa model prikazuje široko sprejetje vodikovih tehnologij v ladijskem prometu po scenariju ZERO-H.Kitajski domači ladijski promet je energetsko zelo intenziven in predstavlja še posebej težak izziv razogljičenja.Čisti vodik, zlasti kot a
surovina za amoniak, ponuja možnost za dekarbonizacijo pri pošiljanju.Najcenejša rešitev v scenariju ZERO-H ima za posledico 65 % prodor ladij na amoniak in 12 % ladij na vodik leta 2060 (slika 3).Po tem scenariju bo vodik predstavljal povprečno 56 % končne porabe energije v celotnem prometnem sektorju leta 2060. Modelirali smo tudi uporabo vodika pri ogrevanju stanovanj (dodatna opomba 6), vendar je njegovo sprejetje zanemarljivo in ta dokument se osredotoča na uporaba vodika v HTA industriji in težkem transportu.Prihranki zaradi ogljične nevtralnosti z uporabo čistega vodika Za ogljično nevtralno prihodnost Kitajske bo značilna prevlada obnovljivih virov energije s postopnim opuščanjem premoga pri porabi primarne energije (slika 4).Nefosilna goriva obsegajo 88 % mešanice primarne energije leta 2050 in 93 % leta 2060 pod ZERO-H. Veter in sonce bosta zagotavljala polovico porabe primarne energije leta 2060. V povprečju na nacionalni ravni je delež čistega vodika v skupni končni energiji poraba (TFEC) bi lahko leta 2060 dosegla 13 %. Glede na regionalno heterogenost proizvodnih zmogljivosti v ključnih panogah po regijah (dodatna tabela 7) je deset provinc z deležem vodika v TFEC višji od nacionalnega povprečja, vključno z Notranjo Mongolijo, Fujianom, Shandongom in Guangdong, ki ga poganjajo bogati viri sončne energije ter vetrnih virov na kopnem in morju in/ali številne industrijske zahteve po vodiku.V scenariju ZERO-NH bi kumulativni naložbeni strošek za doseganje ogljične nevtralnosti do leta 2060 znašal 20,63 bilijona USD ali 1,58 % skupnega bruto domačega proizvoda (BDP) za obdobje 2020–2060.Povprečna dodatna naložba na letni ravni bi znašala okoli 516 milijard USD na leto.Ta rezultat je skladen s 15 bilijonov ameriških dolarjev vrednim kitajskim načrtom za ublažitev do leta 2050, kar je povprečna letna nova naložba v višini 500 milijard ameriških dolarjev (ref. 22).Vendar pa uvedba možnosti čistega vodika v kitajski energetski sistem in industrijske surovine v scenariju ZERO-H povzroči znatno nižjo kumulativno naložbo v višini 18,91 bilijona USD do leta 2060 in letnonaložbe bi se leta 2060 zmanjšale na manj kot 1 % BDP (sl.4).Kar zadeva sektorje HTA, letni stroški naložbe v tesektorjev bi znašal okoli 392 milijard USD na leto v ZERO-NHscenariju, ki je skladen s projekcijo EnergetikeKomisija za prehod (400 milijard USD) (ref. 23).Vendar, če je čist
vodik vključen v energetski sistem in kemične surovine, scenarij ZERO-H kaže, da bi se letni stroški naložb v sektorjih HTA lahko zmanjšali na 359 milijard USD, predvsem z zmanjšanjem odvisnosti od dragih CCUS ali NET.Naši rezultati kažejo, da lahko uporaba čistega vodika prihrani 1,72 bilijona ameriških dolarjev naložbenih stroškov in prepreči 0,13-odstotno izgubo skupnega BDP (2020–2060) v primerjavi s potjo brez vodika do leta 2060.
Slika 3 |Prodor tehnologije v tipične sektorje HTA.Rezultati po scenarijih BAU, NDC, ZERO-NH in ZERO-H (2020–2060).V vsakem prelomnem letu je specifični prodor tehnologije v različnih sektorjih prikazan z barvnimi stolpci, kjer je vsak stolpec odstotek prodora do 100 % (za popolnoma osenčeno mrežo).Tehnologije so nadalje razvrščene po različnih tipih (prikazano v legendah).CNG, stisnjen zemeljski plin;LPG, tekoči naftni plin;LNG, utekočinjeni zemeljski plin;z/brez, z ali brez;EAF, elektroobločna peč;NSP, nov suhi postopek predgretja vzmetenja;WHR, rekuperacija odpadne toplote.
Čas objave: 13. marca 2023
